专利名称：超声波成像装置和控制延迟的方法
技术领域：
本发明涉及ー种用于接收在被检体中反射或生成的超声波以及对所接收的超声波进行成像的超声波成像装置，更具体地说，涉及ー种对从用于形成接收波束的多个接收元件获得的信号根据超声波传播时间而执行延迟校正的数字超声波成像装置。
背景技术：
由于超声波不产生暴露并且基本上无创，因此超声波图像诊断被广泛使用。尤其近年来，因为超声波成像装置的数字化的进步，所以可以容易地以高精度来控制用于形成超声波束而生成的延迟时间。据此，可以通过使用用于每个区域的诊断的紧凑装置来获得高质量生物断层图像。除了将超声波辐射到被检体、接收回声并且生成其图像的超声回声诊断装置之外，还已提出了辐射脉冲光并且接收被检体内部生成的光声波(超声波)并且产生其图像的光声成像装置。 在传统超声波成像装置中，通常基于超声波传播通过声音速度为恒定的介质的假设来执行用于形成超声波束的延迟时间控制。另ー方面，如果声音速度与生物组织(被检体)不同的材料(比如用于紧固在超声探针的表面上的声学透镜层和生物组织的固定板)存在于生物组织与发送/接收超声波的换能器之间，则超声波在具有不同声音速度的区域的边界处折射。结果，在传统延迟时间控制的情况下，超声波束的焦点未被良好地形成，并且图像质量恶化。当厚脂肪层同样存在于被检体表面上吋，由于脂肪层和脂肪层之下的生物组织的声音速度不同，所以超声波以相同方式折射，结果，在脂肪层之下的组织并未清楚地成像。可以通过使用Snell定律考虑折射路径来解析地确定当具有不同声音速度的层存在于被检体与换能器之间时的延迟量。已经提出了使用Snell定律校正延迟时间的ー些方法。美国专利No. 6，607，489 (PTL I)公开了ー种具有用于紧固生物组织的固定板的超声装置，其中，针对每个换能器和每个焦点来把归因于在固定板与目标组织之间的声音速度的差导致的基于精确计算的延迟时间预先存储在装置中，并且使用该延迟时间来控制发送/接收波束的延迟。还公开了实时地计算延迟时间，但未公开具体数值计算算法。WO 01-026555 (PTL 2)公开了ー种校正关于由组织表面上的脂肪层和声学透镜产生的折射的影响的超声波成像装置，以使得抑制关于在被检体的脂肪层之下的组织区域的图像的质量的恶化。由于对相对厚的并且其厚度取决于目标被检体而不同的脂肪层产生的折射的影响，所以通过使用基于Snell定律的延迟时间校正近似表达式的计算来确定每个换能器中的延迟时间。在WO 01-026555的方法中，基于邻近换能器中的延迟时间使用递归关系来计算下一换能器中的延迟时间。由此减少计算时间。(PTL I)美国专利 No. 6，607，489(PTL 2)国际公开 No. TO 01-02655
发明内容
然而，在美国专利No. 6，607，489的情况下，必须预先对于所有换能器存储对于所有焦点的延迟时间。因此，需要用于存储延迟时间值的大容量存储器，以便在接收期间具有大量动态聚焦的焦点，以实现高图像质量。通常，分辨率随着换能器元件的数量增加以及动态接收聚焦的焦点的数量增加而改进。还期望捕获被检体深处的图像。在任一情况下，要存储的延迟时间值的数量增加，并且电路规模变得庞大。此外，如果所插入的固定板的厚度改变，则相应地需要延迟时间值的新集合。美国专利No. 6，607，489还公开了一种包括对包含折射的超声波传播路径执行精确计算以确定延迟时间的计算单元的装置，并且可以根据所插入的固定板的厚度来计算延迟时间值的集合，但未公开超声波传播路径计算的具体数值算法。因此，使用专用于数值运算的处理器(比如MPU或通用PC的CPU)来计算延迟时间，以用于高效地执行通用数值运算。然而，在接收期间的动态聚焦中，必须根据发送超声波脉冲的传播定时来高速地改变每个换能器中的延迟时间。因此，同样在使用用于执行控制的通用PC来计算延迟时间值并且将这些值读入用于形成超声波束的数字电路的情况下，在数字电路中需要用于存储延迟时间值的大容量存储器。另外，需要高速地将数据从PC传送到数字电路的部件。在两种配置中，电路规 模增加，并且装置变得昂贵。专用于数值运算的MPU还导致用于形成超声波束的数字电路的规模和成本的增加。以此方式，根据美国专利No. 6，607, 489，传统数字电路的规模增加，这使得装置的大小和成本以及处理速度和对可以设置的分辨率的限制变得劣于现有技术。结果，传统超声诊断装置的优点，即图像观测的实时特性以及在由紧凑装置配置实现的宽范围中的灵活诊断，消失。WO 01-026555中公开的传统技术的优点是即使具有不同声音速度的介质变得较厚，也可以减少近似的延迟时间的误差；并且可以以相对较高速度来执行处理。然而，如果根据该方法而执行用于实时地改变焦点的动态接收聚焦，则以下问题存在。也就是说，因为通过递归关系依次执行的计算处理使用关于换能器位置的递归关系，所以必须对于所有换能器计算对于各个焦点的延迟量。因此，如果装置在少数焦点上具有很多换能器，则良好地执行实时处理。但在执行动态接收聚焦的情况下，必须对于每个焦点执行使用递归关系的计算，并且处理量增加，因此该方法不适合于实时处理。如果设置很多接收焦点以使得分辨率更高，则该问题尤其明显。另一方面，在传统超声波成像装置的接收处理的情况下，通过对于每个通道几乎独立地并行处理(比如针对每个换能器的信号处理，特别地，对接收的信号的放大和数字化和延迟时间控制)来实现实时高速图像生成。然而，在根据WO 01-026555的处理的情况下，因为每次接收焦点改变就必须对于所有换能器执行用于重置延迟时间的递归关系处理，如上所述，所以无法有效地使用该并行处理运算。为了实时地执行其中设置很多接收焦点的整个处理，仍然需要用于分离地执行延迟计算的计算处理电路以及用于存储计算结果的大存储器容量。因此，为了使用根据WO 01-026555的处理来执行动态接收聚焦，必须大大地改变传统数字电路，尤其是必须增加待使用的存储器和计算电路，或必须减少接收焦点的数量，以使得当改变焦点时用于重置延迟时间的时间减少。结果，难以通过增加用于接收聚焦的接收焦点的数量来在接收时改进分辨率。
基于光声成像方法的超声波成像装置同样具有源自上述问题的问题。特别地，在用于生成三维图像的光声成像方法的情况下，必须对于每个深度估计接收超声波的传播时间，恰如超声波脉冲回声方法的动态接收聚焦。优选的是，ニ维阵列用于换能器阵列(其中，布置很多换能器)，以改进分辨率。因此，在基于传统光声成像方法的超声波图像诊断装置的情况下，用于重构三维图像的处理量变得巨大，并且难以实时地生成并且显示图像。因为使用通用PC来依次执行在获得数据之后的处理，所以与使用传统超声波脉冲回声方法的超声波图像诊断装置相比，实时诊断是困难的。鉴于以上情况，本发明的目的在于提供一种超声波成像装置来在考虑超声波的传播路径的情况下高速地执行延迟量计算处理。本发明在ー个方面中提出一种超声波成像装置，包括超声波接收机，具有用于接收被检体内部反射或生成的超声波的多个接收元件；接收波束形成器，根据从接收波束的焦点位置到接收元件的传播时间通过对与超声波接收机的接收元件中的至少一部分相对应的接收通道的接收信号执行延迟控制来形成接收波束信号；以及 图像处理器，使用接收波束信号来生成图像，其中，接收波束形成器通过反复进行用于把与焦点深度的改变相对应的传播时间值的改变与已经计算出的传播时间值相加以确定用于下ー焦点的传播时间值的处理，来依次计算用于多个焦点的传播时间值，以及反复进行的处理能够对于接收通道中的每ー个被单独执行，并且接收波束形成器对于接收通道中的至少一部分并行地计算传播时间值。根据本发明，对于每个接收通道的深度方向通过递归关系计算与多个焦点对应的传播时间值，因此可以对于多个通道并行地计算传播时间值，并且可以高速地计算延迟时间值。參照附图根据示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
图IA是描述根据示例I的超声波成像装置的示图。图IB示出根据示例I的超声波成像装置中使用的超声波束。图IC示出与图IB所示的超声波束对应的由超声波成像装置生成的图像数据。图2是描述根据示例I的接收波束形成器的示图。图3是描述根据示例I的读取地址计算単元的示图。图4A是描述根据示例I的折射校正地址增量计算块的示图。图4B是描述根据示例I的用于折射校正地址增量计算的流水线配置的示图。图5是描述根据示例I的存储器读取控制器的示图。图6是存储器地址计算处理的流程图。图7是描述超声波传播时间的示图。图8A是描述动态接收聚焦的示图。图8B是描述在存储器中存储接收的信号的状态的示图。图9A是描述用于根据示例2的光声成像方法的三维图像重构的体素数据结构的示图。图9B是描述用于在示例2的光声成像方法中在特定体素中创建数据的构思的示图。图9C是描述根据示例2的处理方法的示图。图IOA是描述根据示例2的基于光声成像方法的超声波图像诊断装置的配置的示图。图IOB是描述示例2中的图像重构的处理的示图。
具体实施例方式本发明是一种可以有效地应用于诊断装置的技术，其通过多个接收元件接收在被检体中反射或生成的超声波，将所接收的超声波转换为接收的信号，并且根据超声波传播时间对于每个接收元件执行延迟控制以生成接收波束信号。该诊断装置的示例是超声回声 诊断装置，其允许超声波脉冲从换能器(超声发射机/接收机单元)进入被检体，接收从被检体内部的区域反射的超声波回声，并且生成其图像。另一示例是光声成像装置，其将脉冲光辐射到被检体，接收通过光声效应在内部生成的超声波，将其转换为接收的信号，并且使用该接收的信号来生成图像。在该说明书中，接收来自被检体内部的超声波并且生成图像的装置通常被称为“超声波成像装置”。〈超声波传播时间计算处理〉(推导用于计算超声波传播时间的近似递归关系)现将描述根据本发明的考虑超声波的折射的情况下近似传播时间的计算方法的示例。图7示出从焦点21传播到换能器203的超声波的折射的状态。当X是换能器203的位置，D是聚焦长度之外的介质26的部分的厚度(即介质26的厚度)，z是聚焦长度(焦点深度)之中的介质27的部分，0是介质26中的折射角，并且0 ’是介质27中的折射角时，建立以下关系表达式。如果z是负值，焦点21在介质26中，并且在此情况下，可以基于声音速度是均匀的假设来计算超声波传播时间，恰如现有技术的情况，所以将描述并非负值的z的情况。取决于z是负值还是非负值，可以通过与传统技术进行切换来驱动该方法。z在此以下被称为“深度”。[数学式I]
sin 0 Vm-~ 式 I (a)
sin 6 V!isDtan+ztan Q ' = x， 式 I (b)T* .S1(C)其中，Vtis是介质27中的声音速度，Vm是介质26中的声音速度，T是在焦点21反射或生成的超声波到达换能器203的传播时间。式I (a)表不折射的Snell定律,式I (b)表不焦点21和换能器203的几何关系,式I (c)表不超声波传播路径的长度与声音速度的关系。考虑处于比焦点21更深的位置中的焦点211。如果介质26的厚度不改变，则焦点的改变仅为dz，其为z的改变分量。因此，当焦点深度对于每个dz依次改变时，通过考虑dz的增量来相对于超声波传播时间Ti建立以下近似递归关系。[数学式2]
Titl=T^dTi.式 2如下表示当焦点深度改变dz时的超声波传播时间的改变ClTi,其中，在与各个^对应的式 I 中，I i 和 rI i 是 COS 0 ’ 和 COS 0(1 I=COS 0 ’，n J=COS 0 )。[数学式3]
权利要求
1.一种超声波成像装置，包括 超声波接收机，具有用于接收被检体内部反射或生成的超声波的多个接收元件； 接收波束形成器，根据从接收波束的焦点位置到接收元件的传播时间通过对与所述超声波接收机的接收元件中的至少一部分相对应的接收通道的接收信号执行延迟控制来形成接收波束信号；以及 图像处理器，使用所述接收波束信号来生成图像，其中， 所述接收波束形成器通过反复进行用于把与焦点深度的改变相对应的传播时间值的改变与已经计算出的传播时间值相加以确定用于下一焦点的传播时间值的处理，来依次计算用于多个焦点的传播时间值，以及 反复进行的处理能够对于所述接收通道中的每一个被独立执行，并且所述接收波束形成器对于所述接收通道中的至少一部分并行地计算传播时间值。
2.如权利要求I所述的超声波成像装置，其中， 传播时间值的改变是通过焦点深度的改变和至少一个递归参数而被确定的，所述至少一个递归参数是通过根据焦点深度的改变的递归关系而被确定的。
3.如权利要求2所述的超声波成像装置，其中， 在焦点的相邻深度处的递归参数值的多项式中描述用于确定递归参数的递归关系。
4.如权利要求I所述的超声波成像装置，其中， 所述传播时间值的改变被确定为焦点深度的多项式。
5.如权利要求I所述的超声波成像装置，其中，传播时间值的改变是常数。
6.如权利要求I至权利要求5中任一项所述的超声波成像装置，其中， 所述接收波束形成器存储基准传播时间值，基准传播时间值是针对特定焦点深度预先确定的传播时间值，以及 当在所述反复进行的处理中焦点深度到达所述特定焦点深度时，在该焦点深度处的传播时间值被视为所存储的基准传播时间值，并且基于该基准传播时间值来计算在下一焦点深度处的传播时间值。
7.如权利要求3所述的超声波成像装置，其中， 所述接收波束形成器存储基准传播时间值和基准递归参数，基准传播时间值和基准递归参数是针对特定焦点深度预先确定的传播时间值和递归参数，以及 当在反复进行的处理中焦点深度到达所述特定焦点深度时，在该焦点深度处的传播时间值和递归参数被视为所存储的基准传播时间值和基准递归参数，并且基于基准传播时间值和基准递归参数来计算在下一焦点深度处的传播时间值和递归参数。
8.如权利要求4所述的超声波成像装置，其中， 所述接收波束形成器存储针对特定焦点深度预先确定的传播时间值以及要被用于所述特定焦点深度的后续焦点的多项式的系数，以及 当在反复进行的处理中焦点深度到达所述特定焦点深度时，在该焦点深度处的传播时间值被视为所存储的基准传播时间值，并且在随后处理中使用所存储的系数通过多项式来确定传播时间值的改变。
9.如权利要求5所述的超声波成像装置，其中， 所述接收波束形成器存储针对多个基准焦点而被预先确定的传播时间值，以及当在反复进行的处理中焦点到达基准焦点中的任一个时，在该焦点处的传播时间值被视为所存储的基准传播时间值，并且通过在该焦点深度处的基准传播时间值和在下一焦点深度处的基准传播时间值来确定在随后处理中的传播时间值的改变。
10.如权利要求I至权利要求9中任一项所述的超声波成像装置，其中， 所述接收波束形成器针对接收通道中的每一个都包括 存储器，其按时间顺序存储从与接收通道相对应的接收元件依次接收的接收信号； 存储器读取控制器，控制从存储器进行读取；以及 存储器地址计算单元，计算存储器的读取地址， 接收波束信号是通过把根据由存储器地址计算单元计算出的读取地址由存储器读取控制器从存储器读取的接收通道中的每一个的接收信号相加来形成的，以及 存储器地址计算单元计算与针对多个焦点依次计算出的传播时间值相对应的读取地址位置，以便依次计算与多个焦点相对应的读取地址。
11.如权利要求10所述的超声波成像装置，其中， 所述存储器地址计算单元以实数形式计算读取地址，以及 接收波束形成器根据计算出的实数形式的读取地址的小数部分来对与计算出的实数形式的读取地址的整数部分相对应的地址和下一地址中存储的两个接收信号进行插值，并且使用所插值的接收信号来形成接收波束信号。
12.如权利要求I至权利要求11中任一项所述的超声波成像装置，其中， 所述超声波接收机还充当用于将超声波发送到被检体的超声波发射机，以及 所述超声波成像装置通过把超声波辐射到被检体上并且接收在被检体中反射了的反射超声波来形成被检体内部的图像。
13.—种超声波成像装置，包括 超声波接收机，具有用于接收从被检体生成的声学波的多个接收元件； 图像重构计算单元，基于由所述超声接收机接收的超声波来获得评估每个体素中生成的声学波的强度的体素阵列数据；以及 图像处理器，使用由所述图像重构计算单元获得的所述体素阵列数据来获得图像数据，其中， 所述图像重构计算单元通过反复进行用于把与体素深度的改变相对应的传播时间值的改变与已经计算出的传播时间值相加以确定用于下一体素的传播时间值的处理，来依次计算用于多个体素的传播时间值，以及 反复进行的处理能够对于每个体素列独立执行，并且所述图像重构计算单元对于所述体素列的至少一部分并行地计算传播时间值。
14.一种控制超声波成像装置中的延迟的方法，所述超声波成像装置接收被检体内部反射或生成的超声波，并且通过根据在接收波束的焦点位置与接收元件之间的传播时间执行延迟处理来形成接收波束，所述方法包括 通过反复进行用于计算与焦点深度的改变相对应的传播时间值的改变的处理以及用于把计算出的传播时间值的改变与已经计算出的传播时间值相加以确定用于下一焦点的传播时间值的处理，来依次计算用于多个焦点的传播时间值，以及 使得反复进行的处理能够对于每一个接收通道被独立执行，并且对于所述接收通道中的至少一部分并行地计算传播时间值。
15.一种在超声波成像装置中执行的延迟控制程序，所述超声波成像装置接收被检体内部反射或生成的超声波，并且通过根据在接收波束的焦点位置与接收元件之间的传播时间执行延迟处理来形成接收波束，所述延迟控制程序使计算机执行 通过反复进行用于计算与焦点深度的改变相对应的传播时间值的改变的处理以及用于把计算出的传播时间值的改变与已经计算出的传播时间值相加以确定用于下一焦点的传播时间值的处理，来依次计算用于多个焦点的传播时间值，以及 使得反复进行的处理能够对于每一个接收通道被单独执行，并且对于所述接收通道中的至少一部分并行地计算传播时间值。
全文摘要
本发明使得能够通过在深度方向上使用递归关系来针对每个接收通道并行计算在校正折射之后的超声波传播时间值。此外，可以通过使用在基准深度处预先获得的精确传播时间值来在每次到达基准深度就校正传播时间值而避免误差的累积。对于这种误差校正，用于计算传播时间值的递归关系可以是近似表达式。例如，可以使用基准深度之间的基准传播时间值的倾度来计算传播时间值。在实际电路中，接收信号被依次存储在存储器中，通过计算与超声波的传播时间值对应的地址位置并且把计算出的地址中存储的接收信号相加来形成接收波束。
文档编号G10K11/34GK102770079SQ20118001043
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月22日 优先权日2010年2月23日
发明者依田晴夫, 及川克哉 申请人:佳能株式会社